基于VR技術的教學課件的制作方法研究

王 巍

(長春財經學院 信息工程學院，長春 130022)

隨著5G時代的到來，VR技術的眩暈問題得以突破，使得VR技術在各個領域得到快速應用。同時，我國對于云計算、虛擬現實、大數據等新技術在教育信息化中的積極推進，使得VR技術在教育領域引起教學方式的重大變革。

5G時代下，VR技術應用于教學的研究與探索，不僅是對虛擬現實這一新技術應用于教學方式的改革而進行的重要探索，也是對國家關于新時代下教學方式變革的積極響應，而VR技術與教學課件的深度融合是VR技術應用于教學的研究與探索的必要前提[1]?；赩R技術的教學課件，不僅能夠幫助學生完成知識的遷移，利用信息呈現的多維性幫助學生進行最佳的意義構建，而且使學生能夠在視覺體驗上獲得真實的代入感，有利于激發學生自主學習。

1 相關研究

隨著互聯網的普及和網絡帶寬的不斷提升，自20世紀80年代以來，關于VR技術在教育方面的應用和有效性上，國內外很多高校、研究機構及學者做了大量探索。

美國東卡羅琳那大學是最早在教育領域開始研究VR技術應用的大學，并于1992年建立了虛擬現實技術與教育實驗室，針對教學效果，比較基于虛擬現實的教學與其他主流教學媒體的差別，以確認VR技術適合教育領域應用的可能性[2]。隨后，英國在一所中學建立了教育虛擬現實技術工程[3]，探索用VR進行工業方面的安全培訓以及利用VR進行外語教學。諾丁漢大學提出了VIRART項目，在教育和學術方面對VR技術進行了研究和探索。2009年，虛擬世界工作組和林登實驗室共同推出了Second Life 項目，探索在虛擬現實世界中個體獲得教育與成長的可能性。2017年，美國的羅伯特海涅克從VR創設的虛擬教學環境出發，提出了基于VR技術的教學計劃、準備、實施、跟進四階段模型，為基于VR體驗的教學設計提供了重要的參考價值[4]。目前，在美國的K12教育中，教育教學信息化水平非常高，完全網絡教學的虛擬化學校已經日臻成熟。

在國內，關于VR技術的應用研究主要集中在游戲、影視、醫療、航空等領域，而在教育領域與國外還存在差距，處于初步探索階段。

在虛擬仿真校園方面，天津大學在SGI硬件平臺基于虛擬技術開發了虛擬仿真校園[2]。隨后，中國人民大學、浙江大學、北京大學等著名高校都建設了虛擬仿真校園。在教學虛擬實驗室和虛擬教學儀器的研究方面，中國科技大學首先開發設計出一套基于VR技術的教學儀器系統，將VR技術應用到幾何光學實驗平臺的設計與開發中，把物理教學儀器系統推進了新的領域；北京航空航天大學基于VR技術建立了一種分布式虛擬環境，用于飛行員的訓練；隨后，國內各大高校相繼開發了各種基于VR技術的虛擬儀器系統，并在教學和科研中廣泛應用。在將VR技術應用于教學方面，高媛等學者基于大量的理論和實證研究，提出了VR技術能夠有效促進學習的三個核心要素：VR教學法、資源與VR設備、學習者體驗；李勛祥等指明了開展基于虛擬現實技術的虛擬實踐教學進程中面臨的機遇，包括實踐教學環境的虛擬方式、實踐教學時間空間上的隨意性、實現情境化等；南京工程學院針對當前流體傳動控制專業課程教學存在的問題，提出VR技術在現代液壓課程教學中的應用，為改進新的教學模式提供一種手段；郭晨等以電流互感器試驗為例,提出了基于VR的電流互感器培訓課件設計與開發，為VR課件的制作提供了一種手段[3]。

綜上，VR技術在國內教育中的應用正在受到越來越多的關注，但研究方向主要集中于虛擬仿真校園、教學虛擬實驗室和虛擬教學儀器等方面，而在將VR技術應用于教學方面，尤其是將其應用于教學課件設計制作方面，還處于初步探索階段。深入分析VR技術、教學內容及學科特點，為兩者找到合適的整合方向，是新的教學模式改革的一次重要探索。

2 基于VR技術的教學課件的理論支撐

任何的教學活動都需要在特定的教育理論支撐下才能開展，基于VR技術的教學課件也不例外，需要以學習理論以及教學設計為依據。

作為計算機輔助教學的教學方式，支撐多媒體教學課件的教育理論探索主要有行為主義學習理論、認知主義學習理論和建構主義學習理論[5]，此三大學習理論對于多媒體課件的開發實現起著重要作用。其中，建構主義學習理論認為在必備學習資料提供的理論基礎上，加之師長或其他外在助力的輔助，在某種特定的情境下，學習者能夠通過有意義的建構來汲取知識和技能[6]。區別于傳統教學,在基于建構主義的教學中，教師的作用主要在于促進學生自主學習的培養,幫助學生對所學知識進行意義建構,創造符合教學的情境,在學生學習的過程中,適當指導學生,給予適當的鼓勵,使學習向有利的方向發展。情境、協作、會話和意義建構作為建構主義的四要素，有著密切的聯系,情境作為意義建構的基本條件,師生之間的合作與對話是意義構建的輔助途徑,學習的最終目的是實現意義建構。而建構主義學習理論中的“情境”特征與VR技術3I特性中的“沉浸性”“協作”“會話”特征與VR技術3I特性中的“交互性”“意義建構”特征與VR技術3I特性中的“構想性”均高度吻合，在建構主義學習理論指導下的VR技術應用于教學課件的設計中，使基于VR 技術的教學課件有了強有力的理論支撐。

在建構主義理論指導下，通過虛擬現實技術搭建一個仿真的學習情境或將教學內容融入到虛擬課件中進行教學,使抽象的文字理論改變為形象生動的三維畫面,在這樣的學習環境中,學生不自覺地形成了對知識框架的建構,有助于學生對知識的內化和遷移。所以,建構主義理論為虛擬現實課件的可行性提供了重要的理論支撐，能夠很好地指導基于VR技術的課件的設計與實現。對于學習的過程和結果的監視可以通過詳細的反饋加以豐富。學生對任務的解釋、學習目標的整合，以及學習策略的選用都通過內、外部信息反饋。經過如此多的步驟和過程,可以獲得與任務標準及要求合適的學習的結果。

3 基于VR技術的教學課件的設計與實現

基于虛擬現實引擎的VR課件的實現過程如圖1所示。首先, 根據教學課程內容確定教學設計；其次，根據教學設計確定要構建的教學情境，收集相關教學資源，利用建模軟件構建情境中的三維模型；再次, 將構建好的模型導入到虛擬現實引擎中，根據教學設計為模型添加行為和交互，完成虛擬現實模塊的制作；最后, 輸出場景文件, 完成場景發布，生成VR課件。在整個制作過程中，教學設計至始至終貫穿著，起著指導作用，而教學設計中情境設計的原則，知識的呈現方式，學生學習任務的編排及活動設計、交互設計等都要與建構主義四大核心要素相匹配。

3.1 三維建模

三維建模是指對特定的虛擬場景中的三維實體進行相應模型的構建。目前主流的建模工具有3DMax、Pro/E、Solidworks等。Soliduorks、UG等主要應用于機械類建模領域，以參數化實體建模為主，優點是精度較高，便于仿真分析；缺點是所占內存較大，一個模型往往需要上百MB的內存。這種模型的體積龐大，在開發平臺導入復雜實體模型時會經常卡頓，且入門難度大。而Pro/E在傳統機械、家電以及模具設計等領域應用得比較多。3DMax主要應用于場景建模，以基礎形體、曲線、多邊形、面片等建模為主。其優點是所占內存小，搭建模型比較快，不僅入門簡單，能夠跨平臺使用，同時支持導入多種不同格式的素材文件。

以計算機網絡課程為例，三維建模主要是對虛擬設備的建模。計算機網絡中虛擬設備的構建主要包括個人計算機、路由器、網關、防火墻及光纖等。在VR課件中，這些虛擬設備的模型主要采用基礎建模、多邊形建模和十字交叉方法進行構建，重建圖形渲染器，不用添加代碼即可使虛擬設備從各個面均可以看到，從而達到逼真的虛擬感。同時，VR課件的運行要求具有高度同步性，這就要求建立的三維模型不能過大，運行中不能過大地占用運行內存，防止運行時出現卡頓。

以路由器為例，制作路由器的三維模型采用基礎建模方法，主要包括模型的創建和模型材質的設置。

(1)模型的創建。打開3DMax，在右邊的命令面板中，選擇“樣條線”命令，會出現一些簡單的樣條線，如線、矩形、橢圓等。選擇“矩形”，在左側的工作區中畫出路由器的大體輪廓，通過設置矩形的長度和寬度參數調整大小，調整角半徑參數使之變得圓滑。設置好后，在矩形對應的界面中通過“轉換為可編輯樣條線”命令，對矩形進行轉換操作，再進入到修改命令面板的樹型目錄上找到“可編輯樣條線”命令，通過頂點調整軸向桿，進而實現角度的調整。然后選中畫好的圖形，退出編輯樣條線，選擇“擠出”命令，形成立體形狀，選擇“FFD”命令,將立體模型進行網格劃分，選擇“塌陷”命令,模擬出路由器后方凹槽，完成路由器主體輪廓的建模。接下來，在作圖區繪制一個圓柱體模型并根據需要設置好圓柱體的各個參數，完成路由器的天線建模。然后將天線模型轉換為可編輯網格，選中圓柱體中間部分頂點進行縮放,移動到路由器主體輪廓的連接處即可。最后，創建路由器網線接口的模型。利用樣條線下的“線”,繪制出接口的形狀,利用“擠出”命令,將線變為面，選中圖形,其余接口直接復制,復制后將圖形對齊，在命令面板中選中“Line”命令,在下方設置菜單中勾選“中心”選項,單擊輪廓進行向內擴邊。

(2)材質設置。三維模型創建好后，進行模型的材質設置。在材質編輯器設置界面,提供了多種不同類型的材質，每種設備的現實屬性特征各不相同，找到相匹配的屬性特征進行材質的設置。由于創建好的三維模型后續需要導入到Unity3D引擎中實現互操作的開發,在材質設置時,需要考慮材質類型的兼容性。以無線路由器為例，設置材質時可以選擇“添加貼圖材質編輯器”設置或“不添加貼圖材質編輯器”設置。以“添加貼圖材質編輯器設置”為例，進入材質編輯器，選擇“漫反射顏色”，進入“位圖”，選擇項目里備用模型圖片，將相應模型圖片添加進來。點擊“視口中顯示明暗處理材質”，將貼圖在視口中顯示出來。點擊“貼圖”欄，鼠標拉動漫反射項中的貼圖至凹凸項中，點擊“復制”-“確定”，并將凹凸參數設置為30，完成貼圖凹凸紋理效果的設置，然后修改UVW MAP，給模型添加一個長方體的UVW MAP并設置好長度、高度、寬度、U向平鋪、V向平鋪、W向平鋪的相關值以及各個方向上是否翻轉，完成材質的設置。最后，點擊“渲染”將符號貼圖材質的模型渲染出圖即可。

3.2 虛擬現實引擎

三維模型建立好后，需要集成三維模型，搭建虛擬場景，然后按照具體的操作要求,開發添加與三維模型的交互。對于普通開發者來說，開發需要耗費巨大的精力與資源，而第三方虛擬現實引擎有著使用成本低，插件齊全、兼容性好等優勢。

目前，虛擬現實引擎主要有Virtools、Lumion、VUE、Unity3D、Unreal Engine 4等，其中Virtools主要應用于虛擬現實游戲領域，可擴展性好，有自帶的物理引擎，只要會編程，互動幾乎無所不能。Lumion應用于建筑可視化領域，VUE應用于景觀設計可視化領域，Unity3D應用于視頻虛擬現實及建筑可視化，自帶了不少的工具，是一款輕量級免費的虛擬現實引擎。Unity3D配置VR項目十分簡單，文檔完善，學習開發成本低，制作相對容易。同時，該引擎支持多種模型格式，用戶可以定制獨特的創意制作虛擬場景，也可以添加多種格式的音頻和視頻文件，另外還可以方便地鏈接數據庫?？偟膩碚f，是一款可以制作任何領域作品的虛擬現實引擎。使用Unity3D引擎實現對模型的二次開發，腳本的開發選用主流的簡單易用的JavaScript為模型開發相應的腳本，建立模型之間的交互操作，實現虛擬設備之間的交互。

以計算機網絡組網為例，三維模型建立好后,需要將這些三維模型資源導入到Unity3D所創建的項目中，在新建項目時確保勾選“3D”。然后在所創建的工程項目的Assets文件夾下新建Textrure文件夾，將所有的“.FBX”格式的三維模型放到Textrure文件夾下，在Project窗口中即可看到模型資源。模型導入后，需要創建場景，通過主菜單File下的新建場景菜單New Scene創建新的場景,然后在主菜單Edit下的子菜單中選擇Project Settings、Project Settings的子菜單中選擇Player，在Player界面進行是否支持VR模式的設置，選擇Other Settings，選中Virtual Reality Supported，設置為支持VR模式。在GameObject的子菜單選擇3D Object，分別添加Plane和Cube，創建簡單場景。在主菜單Assets的子菜單中選擇Import Package，然后選擇Characters，導入Asset。最后針對導入的模型開發相應的腳本，實現交互。

3.3 VR課件的生成

VR課件的生成是依附虛擬現實引擎的，包括場景的輸出方式和發布的文件格式。不同的虛擬現實引擎生成的文件格式各不相同，本文設計的VR課件主要用于教學，場景發布文件格式主要采用以插件輸出的場景格式和Web版的場景格式。

4 結語

在即將來臨的5G時代，將VR技術融入到教學中，與教學課件深度融合，運用VR技術構建一個虛擬的學習環境，通過VR技術變革傳統課堂和教學，顛覆傳統教育模式，讓學生進入虛擬空間進行學習與活動，從而加速學生學習和認知過程，是培養現代型人才的一種新型教學模式。探索研究VR課件的制作是這種新型模式教學模式的一個前提，對基于VR的新型教學模式的發展有著重要作用，基于VR的新型教學模式必將引起越來越多的關注。